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接种量对餐厨垃圾高温厌氧消化的影响

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第24卷第12期农业工程学报Vol.24No.121782008年12月TransactionsoftheCSAEDec.2008

接种量对餐厨垃圾高温厌氧消化的影响

马磊1，王德汉1※，谢锡龙1，李亮1，王梦男2，文伟发3，曾彩明1

（1．华南农业大学资源环境学院环境科学与工程系，广州510642；2．华南农业大学资源环境学院，广州510642；

3．广东农业科学院土壤肥料研究所，广州510640）

摘要：研究不同接种量对餐厨垃圾高温厌氧消化的影响，探求餐厨垃圾高温厌氧消化的最佳接种量。在55℃条件下，比较6种不同接种量对餐厨垃圾高温厌氧消化过程中pH、总磷浓度、VFA浓度、产气量及餐厨垃圾TS、VS去除效果和消化液CODCr去除效果的影响，结果表明：添加接种物不仅可以提高消化系统的缓冲能力，而且缩短系统产甲烷细菌的积累周期，有利于产气高峰提前，同时对餐厨垃圾的降解有一定的促进作用。其中，在消化物总量600g条件下，480g餐厨垃圾接种120g接种物（TS比为9.47）产气效果最佳，整个过程累积产气量为9359mL，显著高于其它处理，此外，餐厨垃圾TS、VS去除率和消化液CODCr去除率也达到最佳效果，去除率依次为60%、70%和39.67%，但是CODCr去除率与CK差异不显著。关键词：餐厨垃圾，厌氧消化，高温，接种物中图分类号：S216，X71文献标识码：A文章编号：1002-6819(2008)-12-0178-05

马磊，王德汉，谢锡龙，等.接种量对餐厨垃圾高温厌氧消化的影响[J].农业工程学报，2008，24(12)：178－182.MaLei,WangDehan,XieXilong,etal.Influenceofinoculumonthermophilicanaerobicdigestionoffoodwaste[J].TransactionsoftheCSAE,2008,24(12)：178－182.(inChinesewithEnglishabstract)

0引言

接种物的数量和质量对于厌氧消化中产甲烷阶段的

运行效果和稳定性非常重要[1]。如果接种量偏少，微生物

数量不够（尤其是甲烷菌数量），容易使发酵起始时间延

长，产甲烷的速度降低，造成酸积累从而使沼气发酵失

败[2]。如果接种量偏多，则在保证高处理效率的条件下，

消化器的容积必然增大。目前，在研究固体废弃物厌氧

消化时，国内外研究者大多采用经过驯化的厌氧污泥作

为接种物，污泥主要取自污水处理厂厌氧消化池的活性

污泥、化粪池的厌氧污泥和池塘污泥等，也有研究者采

用牛粪等材料作接种物[3-12]，此外，Lopes等研究了反刍

动物的瘤胃液接种对有机固体废弃物厌氧消化的影

响[13]。在接种量的研究上，张爱军等人认为在沼气固态

厌氧发酵时，接种物比例为料重的20%左右，甚至30%

以上，这样可以提高产气速率和甲烷的产量，并且随着

固体含量的增大，接种量也相应增大，有时固体废物的

量与接种物的量之比达到60︰40以上[14]。Nallathambi

在研究不同接种量对一种草料降解的影响时也发现气体

产量随接种量的增加而增加[15]。潘云霞等研究了接种物

浓度对厌氧发酵产气特性的影响，发现适宜的接种物浓

度有利于细菌和微生物的生长，使产气加快，并且接种

物的浓度与物料浓度相互制约[6]。在餐厨垃圾厌氧消化的

收稿日期：2007-10-09修订日期：2008-10-16基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金作者简介：马磊（1983－），男，湖北当阳人。广州华南农业大学资源环境学院，510642。Email：malei1006@tom.com※通讯作者，王德汉，教授，研究方向为固体废弃物的生物处理及资源化。广州华南农业大学资源环境学院，510642。Email：dehanwang@scau.edu.cn厌氧消化处理研究中，王星等先后采用了驯化后的厌氧

污泥和运行中的厌氧消化器中消化物进行接种[16,17]，然而

对接种量还未作研究。本文在驯化研究的基础上对接种

物的数量进一步深入研究，在55℃条件下，采用驯化后

的厌氧污泥作为接种物，在消化底物总量一定的前提下

研究了6种不同接种量对餐厨垃圾高温厌氧消化过程的

影响，以期对餐厨垃圾的厌氧消化工艺的完善提供参考。

1材料与方法

1.1材料

1）餐厨垃圾

试验所用餐厨垃圾取自校内某一学生食堂，主要是

餐后垃圾，成分包括米饭、蔬菜、肉、骨头、菜汤等。

新取来的餐厨垃圾经过机械打浆，保存于-4℃冰箱待用。

餐厨垃圾的主要性质见表1，同时测定餐厨垃圾离心液

（3500r/min，10min）中Ca2+浓度为1452.28mg/L，Mg2+

浓度为95.05mg/L，pH值为4.22。

表1餐厨垃圾的主要性质Table1Basiccharacteristicsoffoodwaste

项目TS/％VS/％TS有机质/％N/％C/NP2O5/％K2O/%Na+/mg·kg-1

餐厨垃圾20.6093.0683.902.9316.581.960.337.17

注：TS为总固体，VS为挥发性固体；表中TS及VS/TS的含量以湿基计，有机质、N、P2O5、K2O、Na+含量均以干基计。

2）接种物

厌氧消化所用接种物为驯化20d的化粪池厌氧污

泥，每天添加餐厨垃圾的量为污泥质量的0.5%[18]，餐厨

垃圾的理化性质与本试验的相同。其色为黑色，均匀蓬

松，主要性质见表2。第12期马磊等：接种量对餐厨垃圾高温厌氧消化的影响179

表2接种物的主要性质Table2Basiccharacteristicsofinoculums

项目TS/％VS/％DVFA/mg·L-1TVFA/mg·L-1CODCr/mg·L-1总磷/mg·L-1pH值

接种物8.704.23535.835947.721019.5413.017.43

注：DVFA为游离态VFA，TVFA为总VFA。

1.2试验装置

试验装置（图1）主要由1000mL的广口消化瓶，

1000mL集气瓶和100mL量筒三部分组成。消化瓶处在

（55±1）℃的水浴中，消化过程产生的气体经聚乙烯管进

入集气瓶，同时等体积的3%NaOH溶液在压力作用下置

换溢流至量筒，量筒中液体的体积读数即为所产甲烷气

体的体积。在试验材料入瓶前和每次取样前，先关闭阀

门3，然后在材料入瓶后和取样完成后打开阀门2，从阀

门1向消化瓶通入N22min，以保持消化瓶内的厌氧环境。

图1餐厨垃圾高温厌氧消化装置Fig.1Experimentalconfigurationofthermophilicanaerobicdigestionoffoodwaste

1.3试验方法

试验设6处理（表3），每处理3个重复。在相同试

验条件下分别取与T1、T2、T3、T4和T5质量相等的接

种物做产气试验，在计算各处理累计产气量时扣除其产

气量。试验于2007年4月26日14︰00开始，混合完成

后取样测定各处理各项指标作为反应起始值，第2天（4

月28日）14︰00开始取样测定各指标，并记录产气量

（量筒中3%NaOH溶液的体积）。过程中不定时地摇动消

化瓶，起到搅拌作用。餐厨垃圾酸化水解迅速，pH大幅

度下降，对甲烷菌有一定的抑制作用，因此，试验过程

中对各处理进行了pH的调节，试验开始第4天，各处理

加入20%KHCO3溶液5mL来增强系统的缓冲能力，减

缓pH的下降。第8天，各处理加入20%KOH溶液15mL。

第10～12天，继续使用20%KOH溶液来调节系统的pH

值，使pH值维持在6.5左右，然后不再进行调节。该试

表3试验处理设计Table3Designofexperimentaltreatments

序号处理餐厨垃圾与接种物TS比

CK600g餐厨垃圾123.6︰0T1540g餐厨垃圾+60g接种物21.31︰1T2480g餐厨垃圾+120g接种物9.47︰1T3420g餐厨垃圾+180g接种物5.52︰1T4360g餐厨垃圾+240g接种物3.55︰1T5300g餐厨垃圾+300g接种物2.37︰1验不使用石灰水来调节系统pH，因为要考察过程中消化

液总磷浓度的变化，同时本试验不考虑K+对试验过程的

影响，试验结束时，对各处理消化液中K+浓度进行测试，

结果均小于厌氧消化抑制浓度[1]。

1.4测定项目及方法

总固体（TS）和挥发性固体物（VS）：烘干法；挥

发性有机酸（VFA）：3500r/min离心10min，取上清液，

蒸馏滴定法，结果以乙酸计。具体操作参照厌氧实验室

研究和分析方法[19]。

总磷（TP）：过硫酸钾消解钼蓝比色法。

化学需氧量（CODCr）：催化消解密封法。

1.5数据分析方法

数据分析采用SAS8.0软件分析，统计方法采用

DUNCAN多重比较及ANOVA方差分析。

2结果与分析

2.1厌氧消化过程中pH值的变化

厌氧消化过程中，各处理pH值变化的趋势基本一

致，均在试验开始的第4天下降到整个过程的最低值，

然后逐渐上升（图2）。其中，T4和T5从第4天开始迅

速上升，在第10天达到最大值，随后一直维持在7.0左

右。CK、T2和T3在第12天达到最大pH值，而T1在

第14天达到最大pH值，随后T2和T3也维持pH值于

7.0左右，然而CK和T1处理pH开始下降，最终CK维

持pH值在5.0左右，T1维持pH值在6.8左右。加入的

KHCO3溶液增强系统的缓冲能力，减缓了pH下降的趋

势。从第10天开始，20%KOH溶液的加入使各处理的

pH值逐渐上升，除CK外，其他各处理pH从第16天开

始均维持在6.5～7.5，说明CK较其他处理酸碱缓冲能力

较差，添加接种物可以有效地改善系统的酸碱缓冲能力，

为产酸和产甲烷过程提供适宜的pH环境。

图2厌氧消化过程中pH的变化曲线Fig.2VariationcurvesofpHduringanaerobicdigestion

2.2厌氧消化过程中消化液总磷浓度的变化

图3描述了厌氧消化过程中消化液中总磷浓度的变

化。各处理均在初期总磷浓度上升，然后下降，最后达

到平衡。初期总磷浓度的升高主要是因为聚磷菌在厌氧

的不利状态下，将体内积聚的聚磷分解产生能量，分解

形成的无机磷释放到消化液环境中。随着系统pH的升

高，餐厨垃圾中大量的Ca2+与系统中的磷酸盐形成最稳

固的固态磷酸盐——羟基磷酸钙沉淀[20]，同时，大量的

Mg2+与磷酸盐合成磷酸铵镁沉淀[21]。比较最终消化液中

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餐厨垃圾工艺

餐厨垃圾工艺

一、餐厨垃圾的性质

餐厨垃圾的组成、性质和产生量受社会经济条件、地区差异、居民生活习惯、饮食结构、季节变化的不同而有所差别，但一般表现出以下共同特征：

（1）产生量大

我国是世界上人口最多的国家，13亿人口的饮食消费数量巨大，加上一些不良的饮食习惯，每年在餐桌上的浪费惊人。据相关统计数据表明，2009年我国餐厨垃圾的年清运量已达5000万t以上，部分特大城市的餐厨垃圾日产生量达到1000t以上。

（2）含水率高

餐厨垃圾的含水率一般高达80%左右，流动性大，非常容易渗漏，这给其收集、运输和处理都带来很大的难度。

（3）易腐烂

餐厨垃圾中有机物含量高（约占干物质质量的95%以上），在温度较高的条件下易发酵、腐烂，其中可能含有大量病毒、致病菌、病原微生物等，易造成疾病的传播、引发新的污染。

（4）含油率高

餐厨垃圾内含大量废食用油脂，是制取生物柴油的理想原料。

以上4项特征表明，餐厨垃圾具有废物与资源的双重特性，一方面具有较高的利用价值，另一方面必须对其进行适当的处理，防止其污染环境，实现餐厨垃圾的资源化、减量化、无害化处理，促进社会

效益、经济效益和环境效益的统一。

二、餐厨垃圾成分

餐厨垃圾性质、组分见表1、表2和表3。

表1餐厨垃圾理化性质表

项目 TS（%） VS

（TS%） 全氮（%） pH NH3-N（mg/L） 碱度（mg/L） CODcr（mg/L） C/N

结果 13~18 75.14 2.02 4.75 363.1 540.54 84400 17.49

表2 餐厨垃圾组分

项目 食物垃圾（%） 纸张（%） 金属（%） 骨头（%） 木头（%） 织物（%） 塑料（%） 油（%） 合计（%）

结果 90.99 0.80 0.10 5.20 1.01 0.10 0.70 2.00 100

表3 餐厨垃圾成分

项目 粗蛋白（%） 粗纤维（%） 粗脂肪（%） 含油量（mg/l） 饲料氨基酸（%） 钙（%） 钠（%）

餐厨垃圾碳源资源化处置厌氧沼液的应用研究

餐厨垃圾碳源资源化处置厌氧沼液的应用研究

餐厨垃圾碳源资源化处置厌氧沼液的应用研究

摘要：自国家实行生活垃圾分类以来，分类效果显著。对于餐厨垃圾，各地纷纷建立集中处置设施。目前，餐厨垃圾处理的工艺主要有填埋、焚烧、生产饲料、好氧堆肥、厌氧消化和亚临界水解处理等，其中厌氧消化产沼技术是主流技术路线。

关键词：餐厨垃圾；厌氧沼液；碳源；陶瓷膜

餐厨垃圾是指人们在生活、餐饮及相关服务活动中产生的可食用或可堆肥的有机废弃物。垃圾处理的环保方式之一是通过碳源资源化处置，其中厌氧沼液的应用是一种常见的处理方法。厌氧沼液是通过厌氧发酵过程产生的液体副产物，主要由含有机质的生物废弃物经过复杂的微生物转化作用而形成。该液体富含有机氮、有机碳、微生物菌群和多种营养成分，具有多种应用价值。在应用厌氧沼液进行资源化处置时，需要进行适当的处理和管理，以确保沼液的质量和安全性。合理的运输、贮存和施用措施是必要的，以避免对土壤和水体环境造成污染。同时，要遵循相关的法律法规和环保要求，确保沼液的应用符合环境保护和农业可持续发展的要求。

1餐厨垃圾厌氧消化工艺概述

1.1预处理系统

餐饮垃圾经运输车辆卸料至接收料斗中，经过分拣机、制浆机、蝶形筛等设备处理后物料制成有机浆液。有机浆液经加热后进入提油系统，分离出毛油，有机浆料进入厌氧消化系统。

1.2厌氧消化及脱水系统 餐厨垃圾预处理后有机浆料经均质罐调质，之后进入厌氧消化罐生产沼气。沼渣经离心脱水后进入沼渣利用系统，沼液进入沼液处理系统。

1.3沼液处理系统

厌氧沼液经离心脱水后送至沼液处理系统处理，去除沼液中的有机物、氮磷等污染物，水质达到出水要求。

2餐厨垃圾厌氧沼液废水处理工艺概述

2.1餐厨垃圾厌氧沼液废水水质

参考餐厨垃圾处置工程餐厨垃圾处置工程，厌氧沼液废水处理系统出水水质按照是否有纳管条件，分别满足《污水排入城镇下水道水质标准》GB/T31962-2015A级(后简称“纳管标准”)或《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准(后简称“一级A标准”)，进出水水质中可以看出污水处理系统的难点在于总氮的控制，反硝化率要求至少达到98%以上。为了使得反硝化顺利进行，C/N比至少满足≥7，而两个工程的厌氧沼液废水C/N在2~3之间，因此必须要额外投加碳源。

厨余垃圾厌氧消化处理难点及调控

厨余垃圾厌氧消化处理难点及调控

厨余垃圾厌氧消化处理难点及调控

厨余垃圾厌氧消化处理难点及调控

厨余垃圾产量⼤、有机物含量⾼、营养元素丰富，对其进⾏适当处理后资源化利⽤是厨余垃圾

处理的发展⽅向。厌氧消化可实现⽣物质能的⾼效利⽤，是厨余垃圾资源化、⽆害化处理的主

要⽅法之⼀。提升餐厨垃圾厌氧消化效率获得清洁能源及对消化产物的综合利⽤是⽬前研究的

热点。介绍了厨余垃圾的基本特性、厌氧消化的机理，总结厨余垃圾厌氧消化各阶段⾯临的问

题，分析对应的国内外调控策略的优缺点及研究进展，并对今后厨余垃圾厌氧消化的调控新策

略及产物再利⽤进⾏展望。

01厨余垃圾厌氧消化存在的问题

1.厨余垃圾特性

厨余垃圾的含⽔率较⾼，⼀般在80%左右，其余⼲物质以可降解有机物为主。⼲物质中包括碳

⽔化合物、蛋⽩质、脂肪、⽊质纤维素、油脂和少量的⾦属元素等。其中，碳⽔化合物、蛋⽩

质、脂肪的含量通常超过⼲物质的70%，具有较⾼的产甲烷潜⼒，使厨余垃圾的厌氧消化成为

可能。厨余垃圾的碳氮⽐(C/N)⼀般在10～30，符合厌氧消化C/N值在20～25的要求。

2.厌氧消化机理

厌氧消化过程可分成⽔解、酸化、产⼄酸和产甲烷4个阶段。⽔解阶段厨余垃圾中的碳⽔化合

物、蛋⽩质和脂肪等悬浮颗粒有机质被微⽣物⽔解成如多糖、多肽和有机酸等可溶有机质；酸

化阶段短链有机质被产酸菌降解成如葡萄糖、氨基酸、VFAs(挥发性脂肪酸)、NH3和H2S等；

⼄酸化阶段葡萄糖和氨基酸被产⼄酸菌利⽤⽣成⼄酸、H2和CO2；甲烷化阶段产甲烷菌将⼄

酸、H2转化成CH4和CO2。

3.厨余垃圾厌氧消化存在问题

厨余垃圾的营养物质丰富，C/N符合厌氧消化的要求，但是总结近年国内外⽂献发现，厨余垃圾

的厌氧消化仍然⾯临许多问题：

1)厨余垃圾的颗粒较⼤，且其中复杂的有机质，如⽊质素和⾓蛋⽩在厌氧条件下⼏乎不可⽣物降

解，⽽化合物如⽊质纤维素和细胞壁虽可⽣物降解，却很难被⽣物利⽤，这些因素都会减慢厨

余垃圾的⽔解速度，延长厌氧消化的停滞时间。

2)与产酸菌相⽐，产甲烷菌的时代周期长，消耗有机酸的能⼒有限，且易受环境因素波动和重⾦

城市餐厨垃圾的厌氧消化处理研究

城市餐厨垃圾的厌氧消化处理研究

第２０卷第４期　・１２・　２０１２年８月　环境卫生工程　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓａｎｉｔａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏｌ＿２０　Ｎｏ．４　Ａｕｇｕｓｔ　城市餐厨垃圾的厌氧消化处理研究木　

马　磊，刘　肃　（北京中京实华新能源科技有限公司，北京１０００８８）　摘要：研究了不同处理量下，系统反应温度对餐厨垃圾厌氧消化过程中产气量的影响，分析了餐厨垃圾厌氧消　化处理过程中，产气量与进料ＴＳ浓度的关系以及气体成分的差异。结果表明：在相同处理量下，与中温３５℃的反应　温度相比，高温５５℃下系统产气速率较快，产气高峰较早到达；系统日产气量与进料　的变化基本一致，平均产气　能力达到０．４５　ｍａ／ｋｇ，气体成分中甲烷含量均高于５５％。　关键词：餐厨垃圾；厌氧消化；厌氧反应器；温度　中图分类号：Ｘ７０５　文献标识码：Ａ文章编号：１００５—８２０６（２０１２）０４—００１２—０３　Ａｎａｅｒｏｂｉｃ　Ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｆｏｏｄ　Ｗａｓｔｅ　Ｍａ　Ｌｅｉ．Ｌｉｕ　Ｓｕ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｚｈｏｎｇｊｉｎｇ　Ｓｈｉｈｕａ　Ｎｅｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８８）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｆｏｏｄ　ｗａｓｔｅ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ｂｉｏｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｒｅａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｂｉｏｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｏｔａｌ　ｓｏｌｉｄ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｏｏｄ　ｗａｓｔｅ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｏｇａｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｒｅａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｅ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ（５５　ｏＣ）ｈａｄ　ａ　ｈｉｇｈｅｒ　ｂｉｏｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｄａｙ　ｃａｍｅ　ｅａｒｌｉｅｒ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｍｅｓｏｐｈｉｌｉｃ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ（３５℃）．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｉｌｙ　ｂｉｏｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｎｅａｒｌｙ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｏｔａｌ　ｓｏｌｉｄ．Ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｂｉｏｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｗａｓ　０．４５　ｍ３／ｋｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｍｅｔｈａｎｅ　ｗａｓ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　５５　ｐｅｒｃｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｏｏｄ　ｗａｓｔｅ；ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ；ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｒｅａｃｔｏｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ